基于TN配电系统的线路分析

黄 维（中国长城计算机深圳股份有限公司，广东深圳，518108）



基于TN配电系统的线路分析

黄 维
（中国长城计算机深圳股份有限公司，广东深圳，518108）

结合TN配电系统的基本要求，分析了相线、零线、地线接错，零线接触不良等带来的影响，用电设备带来空气开关、漏电保护开关跳闸的线路分析，并据此给出了合理建议。

电源；TN配电系统

1　TN配电系统

在工厂、学校、服务器机房等场所一般均采用TN配电系统，根据其零线与地线是否合并在一起，又分为三种：

（1）TN-S 配电系统：在整个系统中采用一根独立的地线。

（2）TN-C 配电系统：在整个系统中，零线与地线合并在一根导线上。

（3）TN-C-S 配电系统： 在系统的一部分，零线与地线合并在一起。

如图1所示，左半部分（Building or installation 1）零线与地线合并在一根导体上，此部分系统为TN-C配电形式；右半部分（Building or installation 2）零线与地线分开，地线为独立的导体，此部分系统为TN-S配电形式。所以，综合来看，整个系统是TN-C-S配电系统。由于三相配电系统实际运行时存在三相负载不平衡的情形，零线上就会由于存在不平衡的电流而产生压降，越远离电网则零线长度越长，阻抗增加而压降增加，因此在TN-C-S配电系统中远离电网一侧采用零线与地线分离，降低零线上压降及谐波等给地线带来的影响。

考虑到零线断线、地线漏电等异常情形，使用最多的配电系统是TN-S系统。

在配电系统连接到用电设备时常存在以下接线错误：

（1）零线与火线接反

由于配线线序错误，原来接在火线上的开关、保险管变成接在零线上了，当关掉开关时，实际用电设备仍然带电；发生异常时，如火线对地短路故障，保险管不能及时熔断保护。

（2）零线与地线接反

通电后，火线经由用电设备，回到电网地线，这时如果用电设备前端接有漏电保护开关，则由于流经火线的电流与零线电流不平衡而发生跳闸保护；如果前端未安装漏电保护开关，同时发生接地不良，电流将经由设备外壳、人体，回到大地，从而发生触电事故。

（3）地线未接

用电设备发生异常时，电流将直接经由人体到大地，发生触电危险。

图1　TN-C-S配电系统（转引自IEC60950）

图2　零线接触不良等效电路图

2　零线接触不良

在进行电源产品老化试验时，发现总是发生电源炸机，线路中储能大电容损坏，但是集中在日系电容N品牌上，而使用日系电容R品牌的则不会。

经现场确认，老化试验车间采用的是航空插头，在每个老化车架装好试验电源产品后，再插上插头，由于经常插拔，零线磨损，在插入的瞬间，三根相线先接触，零线然后才接触。等效线路如下：

零线断开时，电流由a点-＞D-＞b点-＞d点-＞D-＞c点，L2、L3的相电压直接跨接在用电设备上，由于cd两点并联用电设备多，阻抗低，电压主要落在ab间的用电设备上。

线路中，存在几秒钟的时间，零线断开，加在电源产品上的电压接近418V，经过整流后，储能电容两端的电压为：

。

为进一步验证使用不同品牌电容产品表现出来的差异，分别取N品牌和R品牌的电容（规格均为450V，560uf）进行耐压测试。试验结果表明N品牌电容在外加570V时，保持5分钟即发生爆破，而R品牌电容在外加电压升至625V，保持15分钟才爆破，试验结果解释了为什么使用N品牌电容发生不良，而R品牌电容则能通过老化试验。

综合对策：

（1）检查并及时更换零线磨损的插头。

（2）在试验时均匀分配电源产品到各个区域，使三相负载接近均衡。

3　空气开关动作

在服务器机房中8台服务器配1个空气开关，服务器电源采用1+1冗余工作，常出现的问题有两类：

（1）电源的开机浪涌电流大，一启动即发生跳闸。

电源输入端在开机时由于大电容充电前接近于短路状态，热敏电阻太小，浪涌电流约60A，16台电源总电流远超过空气开关的动作电流，发生跳闸。

加大热敏电阻的规格，使单机浪涌电流小于15A；正常工作时继电器将热敏电阻旁路，保证其工作效率。

（2）电源内部发生短路故障时，造成空气开关跳闸，则此路8台服务器都将断电，带来意料之外的损失。

如选用延时型保险管50T，在电源内部发生MOSFET击穿等短路故障时，保险管熔断响应时间较长，机柜的空气开关反而先动作，造成整个机组掉电。

选用50F快速熔断型保险管则可以在较短的时间内熔断，避免空气开关跳闸。由于服务器一般采用1+1冗余电源供电，其中一个电源模块失效，另一个电源模块仍能保证服务器正常工作。

通过对50T、50F两种型号的保险管（额定电流均为12.5A）进行125A过载试验，实测50T的熔断时间为88ms，为874；而50F的熔断时间为29ms，为404。试验证明，50F的既能承受电源启动时浪涌电流的冲击，又能满足电源内部短路时先于空开动作的保护要求。

综合对策：

（1）服务器机房空气开关规格一般选额定电流的1.5倍。

（2）电源产品内的热敏电阻取值适当，使开机浪涌电流小于15A。

（3）电源内的保险管选择快速熔断型，保证电源内部短路异常时保险管在空开动作前先熔断。

4　漏电保护开关动作

故障描述：2015年中供货的电脑用在电脑室里面出现供电系统跳闸现象，如果电脑室不接上地线就不会跳闸，但是静电电压很高，达到110V。

在个人计算机用开关电源中，安全接地是通过一根地线将外壳与输入插座的接地端连接起来，GB4943对接地阻抗的规定为以30A电流连续测试时其阻抗小于0.1Ω。同时，为提升电源的电磁兼容性能，在火线对地、零线对地分别接有Y1、Y2电容，这样火线、零线对地就存在一定的泄漏电流。

不接地线时，电流从L线-＞Y1-＞Y2-＞N线，由于Y1、Y2规格相同，在线路中分压相等，故机壳（与地线连接）的电位为。

用户摸到外壳有触电的感觉，但因为Y电容漏电流很小，仍是安全的，客户误认为是静电。

不接地线时，L、N的电流是平衡的，所以漏电保护开关不会动作。

当接上地线时，N与PE在配电系统中是连接在一起，电流流经Y2的阻抗比流经PE的阻抗大得多，所以漏电电流的路径：L-＞Y1-＞PE，因此L、N流经的电流不平衡，触发漏电保护开关动作。

地线阻抗1.5ohm（在不同的布线系统中，此阻值有差异，但必须小于4ohm），以30颗222电容并联（等效于10台电源），测量其开机瞬间的漏电流峰值，在交流波形相位时电流最大：， 持续时间100µS。电流波形可近似看作三角波，为：

一般漏电保护器的规格为30mA，动作时间0.1s，其为：0.00009。

此时电脑仍能正常开机，当进一步增加每路漏电保护开关所带的电脑数量时，开始出现跳闸保护情形。

综合对策：

由于电源产品在开机瞬间Y电容的漏电电流较大，在选取漏电开关与电源产品配合时，每路漏电开关所接的电源产品不宜超过10台。

［1］ IEC.CEI/IEC 60950-1

Line analysis of power distribution system based on TN

Huang Wei
（China Great Wall Computer Shenzhen Company Limited， Guangdong Shenzhen，518108）

Combined with TN distribution system of the basic requirements，analysis the influence of phase，zero line， grounding fault，zero line of bad contact etc.bring，bring the air switch，leakage protection switch tripping circuit analysis of electrical equipment，and thus give the reasonable suggestions.

power supply；TN distribution system